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并四苯三聚体中单线态裂分性质的研究
浏览: 发布日期:2018-04-12

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      直接利用太阳能转化为电能无疑是目前最清洁和最具有可持续性的能量。光电转换技术的瓶颈在于太阳能电池的光电转化效率较低,阻碍了能量转化在实际中的广泛应用。如何有效地提高电池的光电转化效率是目前全球面临的共同问题。

 

单线态裂分可以将一个高能量的单线态激子裂分成两个低能量的三线态激子,如将此过程应用在有机太阳能电池中,理论上可以突破单结太阳能电池的Shockley–Queisser限制(35%),从而大幅度提高电池的光电转化效率。因此,近几年关于单线态裂分的研究成为世界范围内的热点。

 

并苯类化合物是单线态裂分的主要研究对象,其中并四苯和并五苯及其衍生物是最为典型的代表。在并四苯、并五苯及其衍生物的晶体薄膜中均已发现了高效率的单线态裂分,但单线态裂分的效率过分依赖于材料本身的表面态、颗粒大小以及分子的堆积方式,这为电池的结构设计、组装工艺带来了较大的困难。如果能在共价键连接的有机小分子聚集体中实现高效率的单线态裂分,将有利于单线态裂分在有机太阳能电池中的应用。其原因包括三方面:一是单线态裂分作为聚集体分子的固有性质,不受外部条件的限制;二是有机小分子聚集体结构简单,易于修饰,便于和电池结合;三是有机小分子聚集体在溶液中具有良好的溶解度,便于通过溶液法进行光伏器件的组装。最近,并五苯聚集体中已实现了高效率的单线态裂分。但是,在并四苯聚集体的研究中,尽管人们已经有近十年的探索,却一直没有成功。从实用的角度讲,并四苯比并五苯具有更大的可能性,因为并四苯比并五苯更稳定,具有更加合适的能级结构。基于此,中国石油大学(华东)李希友教授课题组开展了在共价键连接的并四苯聚集体中实现高效率的单线态裂分

 

该课题组首先设计合成了一个具有“面对面”堆积结构的并四苯二聚体,然后与美国加州大学Bardeen课题组合作对其光物理性质进行了研究,发现由于两个并四苯之间强烈的基态相互作用导致激基复合物的形成,激基复合物的形成与单线态裂分的发生形成强烈的相互竞争,该工作说明聚集体中结构单元之间过强的基态相互作用对于单线态裂分的发生是不利的Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 6523)。在此工作基础之上,该课题组又合成了一系列共价键连接的线性并四苯二聚体和三聚体(图1)。

图1. 并四苯二聚体和三聚体的分子结构

 

通过与南京大学张春峰教授课题组合作,李希友教授研究了该三聚体分子中的单线态裂分。结果发现,三聚体4的单线态裂分速度较二聚体3提高近10倍(图2),三线态的量子产率可以达到96%,相比于二聚体3也有了大幅度提高,这主要是由于三聚体中更大的激子离域空间和更强的电子耦合作用,为新型的单线态裂分材料的设计提供了新的思路。

图2. 二聚体和三聚体的三线态动力学

 

这一成果近期发表在Organic Letters 上,文章的第一作者是中国石油大学(华东)的博士后刘和元和南京大学的博士研究生王睿

 

该论文作者为:Heyuan Liu, Rui Wang, Li Shen, Yanqing Xu, Min Xiao, Chunfeng Zhang, Xiyou Li

A Covalently Linked Tetracene Trimer: Synthesis and Singlet Exciton Fission Property

Org. Lett., 2017, 19, 580−583, DOI: 10.1021/acs.orglett.6b03739

 

导师介绍

李希友